DE19538046A1 - Schichtsystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein aus Schichten bestehendes Schichtsystem. Die
Schichten bestehen aus unterschiedlichen Materialien, nämlich Metall und
Keramik. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für ein
derartiges Schichtsystem.
Aus Materials Science Forum, Vols. 52 & 53, (1989), pp. 609-644 sind derartige
Schichtsysteme bekannt.
Insbesondere aus Metall und Keramik bestehende Schichtsysteme weisen den
Nachteil auf, daß die Verbindungen zwischen Metall- und Keramikschichten
aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften häufig mechanisch instabil
sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schichtsystems, welches den
vorgenannten Nachteil nicht aufweist sowie eines Herstellungsverfahrens für das
Schichtsystem.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Schichtsystem gemäß Hauptanspruch sowie
durch ein Herstellungsverfahren gemäß Nebenanspruch.
Die erste Schicht bestehe beispielsweise aus Metall, die zweite aus Keramik.
Metall- und Keramikschicht sind mittels einer dazwischenliegenden Mischschicht,
bestehend aus metallischen sowie keramischen Anteilen, miteinander verbunden.
In der Mischschicht nimmt der Metallanteil kontinuierlich in Richtung
Keramikschicht von 100 auf 0% ab (gradierte Schicht). Entsprechend nimmt der
Keramikanteil in der Mischschicht zu.
Bei aus dünnen Schichten bestehenden Schichtsystemen (Schichtdicken im µm-
Bereich) hat sich gezeigt, daß dazwischenliegende Mischschichten mit
Schichtdicken zwischen 0,1 und 10 µm eine erheblich verbesserte mechanische
Stabilität bewirken. Bereits ausreichend sind Schichtdicken der Mischschicht von
weniger als 1 µm.
Eine kontinuierliche Abnahme bedeutet, daß sprunghafte
Konzentrationsveränderungen und damit sprunghafte Änderungen der
Materialeigenschaften im Schichtsystem vermieden sind. Lokal kann innerhalb
der Mischschicht der Materialanteil, z. B. des Metalls in Richtung Keramikschicht
zunehmen. Insgesamt ist entscheidend, daß der Materialanteil des Metalls,
ausgehend von der Metallschicht in Richtung Keramikschicht, ohne sprunghafte
(d. h. stufenförmige) Konzentrationsveränderungen von 100 auf 0% abnimmt.
Zweck der Vermeidung von Konzentrationssprüngen ist die Vermeidung
sprunghafter Veränderungen von Materialeigenschaften. Die Vermeidung von
sprunghaften Änderungen der Materialeigenschaften hat eine wesentlich
verbesserte mechanische Stabilität des Schichtsystems zur Folge.
Eine kurvenförmiger, kontinuierlich abnehmender Konzentrationsverlauf
innerhalb der Mischschicht stellt eine anspruchsgemäße Abnahme der
Konzentration dar (Fig. 1, Kurvenverlauf 2). Im optimalen Fall ist der
kurvenförmige Verlauf stetig differenzierbar (Fig. 1, Kurvenverlauf 3).
Verfahrensgemäß werden die Schichten beispielsweise durch selektive
Abscheidung auf einem Substrat hergestellt.
Die selektive Schichtabscheidung geschieht durch Ionen mit einstellbarer Energie,
wobei die Flußdichten der metallischen und nichtmetallischen Ionen in beliebigem
Verhältnis einstellbar sind. Der Ionenfluß auf das Substrat wird durch ein
Magnetfeld geführt, wobei die Konfiguration des Magnetfeldes eine homogene
Deposition der entstehenden Schicht über große Flächen erlaubt. Die metallischen
Spezies für die Schichtbildung werden durch die Effusion eines Dampfstrahles aus
einer Knudsen- bzw. Verdampfungszelle in das magnetisch geführte Plasma
eingebracht. Durch eine Kapillare können dem Plasma Reaktivgase zugeführt
werden, deren Zersetzung im Plasma zu der Bildung einer keramischen (also
nichtmetallischen) Schicht führt. Durch die zeitliche Abstimmung der
Massenflüsse von verdampftem Material und Reaktivgas können gradierte
Schichten mit variabler Zusammensetzung erzeugt werden. Die nahezu
vollständige Ionisation sowohl der nichtmetallischen Spezies als auch der
metallischen Spezies wird erreicht, indem das Plasma sowohl in der Region der
Kapillare als auch der Öffnung der Knudsenzelle durch magnetischen Einschluß
zu hoher Elektronendichte getrieben wird. Hierdurch wird ebenfalls eine
homogene Vermischung der verschiedenen Spezies in der Plasmaphase erzielt,
was zu einem hohen Maß an Homogenität der Beschichtungsstärke über der
Werkstückoberfläche beiträgt.
Ferner wird die räumliche Ausdehnung des Plasmas in der Nähe der
Werkstückoberfläche durch eine sog. Cusp-Struktur des Magnetfeldes
aufgeweitet. Die wesentlichen Plasmaparameter Ionendichte und
Elektronentemperatur sind somit in dieser Region über eine große räumliche
Ausdehnung homogen ausgebildet, wodurch ein hohes Maß an Homogenität der
Beschichtung auf der Werkstückoberfläche gewährleistet ist.
Es zeigen
Fig. 1 Auftragung Konzentration c gegen Schichtdicke d gemäß Schichtsystem
Fig. 2 Vorrichtung zur Abscheidung gradierter Metall-Keramikschichten
Fig. 3 Cusp-Magnetfeldkonfiguration
Fig. 4 Tiefenprofil einer Schichtzusammensetzung.
Fig. 1 zeigt ein Schichtsystem 1, bestehend aus einer Metallschicht a, einer
Mischschicht b sowie einer Keramikschicht c. Oberhalb des Schichtsystems 1
befindet sich ein Diagramm, welches mögliche Anteile des Metalls a in %
verdeutlicht. Im Bereich der Metallschicht beträgt der Metallanteil 100% und im
Bereich der Keramikschicht c liegt der Metallanteil bei 0%. Innerhalb der
Mischschicht nimmt der Metallanteil entweder näherungsweise kurvenförmig
gemäß Graph 2 oder idealerweise auf gemäß eines stetig differenzierbaren
Verlaufs entsprechend des Graphen 3 ab. Zur Verdeutlichung des Unterschiedes
zeigt der Graph 4 einen stufenförmig abnehmenden Verlauf, der nicht Gegenstand
des Anspruchs ist.
Fig. 2 zeigt die verwendete Anlage zur Herstellung eines derartigen
Schichtsystems. Fig. 3 die Magnetfeldkonfiguration dieser Anlage.
Die bauliche Anordnung einer derartigen Anlage ergibt sich wie folgt.
Die Kathode 5 wird durch eine Lochscheibe aus LaB₆ mit einer Öffnung von 10
mm Durchmesser gebildet. Das Arbeitsgas (He, Ar, H₂ oder N₂) wird durch eine
Öffnung 7 hinter der Hohlkathode eingelassen und muß den Bereich der
Plasmaerzeugung in der Hohlkathodenöffnung durchströmen. Der
Bohrungsdurchmesser der drei metallischen Hohlanoden 6, die sich in einer Reihe
an die Hohlkathode 5 anschließen, beträgt ebenfalls 10 mm. Im Bereich der
Hohlanoden 6 wird das Plasma durch kompakte Magnetfeldspulen 15 in
Helmholtz-Anordnung mit einem Magnetfeld von 30 mT eingeschlossen. Durch
die Öffnung der letzten Hohlanode strömt das Plasma in das Hauptgefäß 13, in
dem sich die Kapillare 12 für die Reaktivgaszufuhr, die Verdampfungsquelle 11
und das Werkstück (Substrat) 8, auf dem die Beschichtung abgeschieden wird,
befinden. Der geringe Querschnitt der Hohlanodenöffnung und der
Druckgradient, welcher sich zwischen der Hohlkathode 5 und dem Hauptgefäß 13
aufbaut, verhindern, daß Reaktivgasbestandteile die Hohlkathode 5 erreichen und
deren Oberfläche verschmutzen, wodurch die weitere Plasmaentladung behindert
würde. Die räumliche Anordnung der Komponenten im Bereich des
Hauptgefäßes ergibt sich durch die räumliche Ausbildung des Plasmas. In der
Zone in Nähe des Plasmaeintrittes in das Hauptgefäß wird das Plasma auf einen
Durchmesser von 5-7 cm ausgedehnt, indem durch eine weitere ringförmige Spule
9 ein Magnetfeld von 2-7 mT angelegt wird. Die Plasmadichte in dieser Zone
liegt in der Größenordnung von 1 × 10¹² -5 × 10¹² cm³, wobei diese Plasmazone
eine Längenausdehnung von etwa 25 cm aufweist. In die Nähe der Zentralachse
und mittig in Längsrichtung wird eine Kapillare 12 aus Quarzglas mit ca. 0.3 mm
Öffnungsdurchmesser in das Plasma eingebracht, durch die dem Plasma
Reaktivgase zugeführt werden können. Die Ausströmöffnung der Knudsenzelle
bzw. der Verdampfungsquelle 11 befindet sich in gleicher Längsposition mit
einem Abstand von 2-7 cm unterhalb der Plasmaachse, so daß das einströmende
Reaktivgas und die verdampften Spezies in die gleiche Zone hoher Plasmadichte
eingebracht werden.
An die etwa 25 cm lange Zone hoher Plasmadichte schließt sich in Längsrichtung
eine Expansionszone des Plasmas an, die durch die sogenannte Cuspkonfiguration
des Magnetfeldes erzeugt wird. Hierzu wird eine weitere ringförmige
Magnetfeldspule 10, die sich in einem Abstand von ca. 60 cm in Längsrichtung
von Spule 9 befindet, mit einem Magnetfeld betrieben, das dem von Spule 9
erzeugten Feld entgegenwirkt. Die resultierende Ablenkung und teilweise
Aufhebung des Magnetfeldes führt zu der Expansion des Plasmas. Das
Werkstück 8 wird in der Region des expandierten Plasmas positioniert, so daß
seine Oberfläche einem homogenen Plasma ausgesetzt wird. Aus diesem
gleichmäßigen Kontakt des Plasmas mit der Werkstückoberfläche resultiert eine
homogene Beschichtung des Werkstückes 8.
Die Funktion des durch die Hohlkathodenbogenentladung erzeugten Plasmas liegt
in erster Linie darin, eine Quelle für energiereiche Elektronen zu bilden. Die
ablaufenden Elektronenstoßprozesse führen zu der Zersetzung der Reaktivgase
und zu der Ionisation sowohl der Zersetzungsprodukte der Reaktivgase als auch
der verdampften metallischen Gase. Hierzu wird ein Plasma mit hoher
Elektronendichte benötigt, das durch die oben beschriebene
Hohlkathodenbogenentladung mittels der LaB₆-Hohlkathode 5 erzeugt wird. Das
entstehende Plasma wird durch Magnetfelder eingeschlossen (s. o.) und die
Elektronendichte stark erhöht. Als Arbeitsgase zur Plasmaerzeugung können u. a.
Argon, Helium, Wasserstoff oder Stickstoff dienen. Der geringe Neutralgasdruck
während des Betriebs im Bereich von 0.1-1 Pa in der Vakuumkammer führt zu
Elektronenenergien des Plasmas von 5 bis 10 eV, wodurch eine hohe Effizienz der
Ionisation der einströmenden Atome und Moleküle gewährleistet wird. Eine
Elektronendichte von 1 × 10¹² -5 × 10¹² cm-3 in der Zone der direkten
Wechselwirkung zwischen Plasma und einströmenden Neutralteilchen
(Reaktivgas bzw. verdampfte Spezies) ermöglicht die nahezu vollständige
Zersetzung und Ionisation der einströmenden Spezies. Aufgrund der
geometrischen Anordnung des Einströmungsortes, des Werkstücks und des
Magnetfeldes können fast ausschließlich Ionen, die entlang des angelegten
Magnetfeldes strömen, die Werkstückoberfläche erreichen. Die angelegten
magnetischen Felder sind sehr gering und liegen in der Größenordnung von 2 . . . 7
mT, d. h. 20 . . . 70 Gauß. Wird an das Werkstück ein geeignetes negatives
elektrisches Potential, d. h. Gleichspannung oder Wechselspannung in
Radiofrequenz angelegt, kann die Energie der eintreffenden Ionen kontrolliert und
für den jeweiligen Beschichtungsschritt optimiert werden. Dadurch, daß fast
ausschließlich Ionen zu dem Aufbau der Schicht beitragen und die Ionen dem
angelegten Magnetfeld folgen, kann eine hohe Homogenität der Beschichtung
auch bei großen Probenkörpern erreicht werden. Neutralteilchen hingegen sind
nicht an Magnetfelder gebunden und würden starke lokale Inhomogenitäten der
Schichtdicke verursachen, weshalb ihr Beitrag zur Schichtbildung in der
beschriebenen Anlage unterdrückt wird.
Durch die Einführung des Reaktivgases durch eine einzelne Kapillare in eine
kompakte Zone hoher Plasmadichte kann die vollständige Vermischung und
gleichmäßige Verteilung der Reaktionsprodukte innerhalb des Plasmas erreicht
werden. Hierdurch entfällt die sonst in räumlich ausgedehnten Plasmen niedriger
Dichte übliche aufivendige Konstruktion von verteilten Einlaßöffnungen für
Reaktivgase.
Die Knudsen- bzw. Verdampfungszelle kann durch den elektrischen
Stromdurchgang in einer Heizleiteranordnung erhitzt werden. Methoden der
Aufheizung durch einen Elektronenstrahl bzw. durch die Potentialbeschleunigung
von Elektronen können aufgrund des angelegten Magnetfeldes nicht eingesetzt
werden. Zum Schutz des Heizleiters vor Korrosion durch das Reaktivgas ist eine
Mantelung mit Schutzgasspülung vorzusehen. Der Tiegel, in dem sich die zu
verdampfende Substanz befindet, kann durch eine Lochblende abgedeckt sein.
Durch eine geeignete Wahl des Durchmessers der Ausströmungsöffnung und des
Dampfdruckes innerhalb des Tiegels lassen sich die Knudsen-Bedingungen für die
Effusion eines kollimierten Dampfstrahls erzeugen. Die Wechselwirkung dieses
metallischen Dampfstrahls mit dem Plasma ist eng lokalisiert und Materialverluste
durch metallische Neutralteilchen, die das Plasma nicht erreichen, können gering
gehalten werden.
In Anpassung an den jeweiligen Substratwerkstoff des Werkstückes und den
jeweiligen Anwendungsfall können unterschiedliche metallische
Schichtkomponenten mit ausreichendem Dampfdruck innerhalb des
Temperaturbereichs der Verdampfungszelle aufgebracht werden, z. B. Al, Ti, Fe,
Cr. Ebenso kann Silizium als Halbmetall verwendet werden. Die nichtmetallische
Schichtkomponente kann durch den Einlaß reaktiver Gase erzeugt werden, z. B.
für Kohlenstoffschichten durch den Einlaß von gasförmigen
Kohlenwasserstoffverbindungen, für Siliziumcarbidschichten durch den
gleichzeitigen Einlaß von SiH₄ und CH₄, für Siliziumnitridschichten durch den
Einlaß von SiH₄ bei Verwendung eines Stickstoffplasmas.
Mittels der beschriebenen Anlage läßt sich eine gradierte Metall-Keramikschicht
wie folgt erzeugen:
Nach Einbringung in das Vakuumgefäß wird die Oberfläche des Werkstückes einem Plasma (z. B. Argon oder Wasserstoff) zur Reinigung ausgesetzt. Durch ein an das Werkstück angelegtes negatives elektrisches Potential kann die Ionenenergie zur Optimierung des Reinigungsvorgangs eingestellt werden. Im Anschluß wird die Temperatur der Verdampfungszelle erhöht, die metallische Substanz verdampft und aus dem Plasma eine metallische Schicht abgeschieden. Ist eine hinreichend dicke metallische Zwischenschicht abgeschieden, wird bei fortlaufender Verdampfung eine geringe Menge Reaktivgas eingegeben und eine Mischschicht aus metallischen und keramischen Anteilen abgeschieden. Durch die kontinuierliche Erhöhung des Reaktivgasflusses und eine langsame Absenkung der Temperatur der Verdampfungseinrichtung kann nun eine Übergangsschicht mit variierenden Anteilen an metallischer und keramischer Zusammensetzung abgeschieden werden. Nach Aussetzen des Verdampfungsprozesses bei fortgesetzter Reaktivgaszufuhr wird abschließend eine rein keramische Deckschicht abgeschieden.
Nach Einbringung in das Vakuumgefäß wird die Oberfläche des Werkstückes einem Plasma (z. B. Argon oder Wasserstoff) zur Reinigung ausgesetzt. Durch ein an das Werkstück angelegtes negatives elektrisches Potential kann die Ionenenergie zur Optimierung des Reinigungsvorgangs eingestellt werden. Im Anschluß wird die Temperatur der Verdampfungszelle erhöht, die metallische Substanz verdampft und aus dem Plasma eine metallische Schicht abgeschieden. Ist eine hinreichend dicke metallische Zwischenschicht abgeschieden, wird bei fortlaufender Verdampfung eine geringe Menge Reaktivgas eingegeben und eine Mischschicht aus metallischen und keramischen Anteilen abgeschieden. Durch die kontinuierliche Erhöhung des Reaktivgasflusses und eine langsame Absenkung der Temperatur der Verdampfungseinrichtung kann nun eine Übergangsschicht mit variierenden Anteilen an metallischer und keramischer Zusammensetzung abgeschieden werden. Nach Aussetzen des Verdampfungsprozesses bei fortgesetzter Reaktivgaszufuhr wird abschließend eine rein keramische Deckschicht abgeschieden.
In vergleichenden Versuchen wurden das oben beschriebene Verfahren der
Knudsen-Effusion metallischer Spezies mit dem Verfahren der Ionenzerstäubung
eines metallischen Targets zum Aufbau einer gradierten Schicht verglichen. Es
zeigte sich, daß bei dem Aufbau einer gradierten Schicht unter Zuhilfenahme des
Zerstäubungsprozesses die geringen Zerstäubungsraten die Abscheideraten des
gesamten Prozesses eng begrenzen. Durch die Verdampfung metallischer Spezies
in das ionisierende Plasma konnten die Abscheideraten der metallischen
Komponente bei gleichbleibender Schichtstruktur und -qualität um Faktoren im
Bereich 10 . . . 100 gesteigert werden.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung ist nicht auf die Kombination Metall -
Keramik beschränkt. Zwischen Schichten, bestehend z. B. aus unterschiedlichen
(Halb-)Metallen oder aus unterschiedlichen Keramiken, läßt sich eine
dazwischenliegende Mischschicht, bestehend aus den zwei (Halb-)Metallen bzw.
zwei Keramiken, mit gleichem technischen Ergebnis einbringen.
Plasmaerzeugung: Zur Plasmaerzeugung wurde eine LaB₆-Hohlkathode 5 in
Lochscheibengeometrie verwendet. Die LaB₆-Kathode 5 wird durch einen
stromdurchflossenen Heizdraht auf eine Temperatur von ca. 1500°C zur
Glühemission aufgeheizt. Die Plasmaentladung wird durch die Potentialdifferenz
zwischen der Hohlkathode 5 und den drei Hohlanoden 6 gespeist, und das
erzeugte Plasma strömt vom Gaseinlaß 7 her kommend durch die Hohlanoden 6
mit geringer Apertur in das Vakuumgefäß 13, welches das Werkstück bzw.
Substrat 8 enthält. Magnetfeldspulen 9, 10, 15 dienen der Führung des Plasmas.
Ein Auslaß 14 mit angeschlossener Pumpe ist zur Erzeugung eines Vakuums
vorgesehen.
In der vorliegenden Anlage beträgt der Entladungsstrom bis zu 100 A. Die
Entladungsspannung liegt zwischen 45 und 120 Volt. Die Elektronentemperatur
beträgt je nach Plasma 6 . . . 11 eV.
Magnetischer Plasmaeinschluß: Die verwendete Magnetfeldkonfiguration ist in
Fig. 3 dargestellt. Je dunkler der Bereich, desto größer ist die Feldstärke. Gezeigt
werden die magnetfelderzeugenden Spulen 9 und 10 sowie das im erzeugten
Magnetfeld liegende, zu beschichtende Substrat 8. Die Spule 9 und 10 weisen
einen Querschnitt von 20 mm² auf und bestehen aus 130 Wicklungen. Durch die
Spule 9 fließt ein Strom von 30 A. Sie erzeugt hohe Feldstärken von bis zu 80
Gauss. Durch die Spule 10 fließt ein Strom von 10 A.
In der Zone hoher Magnetfeldstärke werden Elektronendichten von 1 × 10¹² -5 ×
10¹² cm-3 erreicht. In der Zone des ausgedehnten Plasmas direkt vor dem Substrat
8 beträgt die Elektronendichte einige 10¹¹ cm-3 bei einer Magnetfeldstärke von 20
Gauss, angedeutet durch helle Bereiche.
Vakuumpumpsystem und Arbeitsdruck: Das Vakuumpumpsystem besteht aus
einer 600 l/s Turbomolekularpumpe und einer Drehschieberpumpe. Der
Arbeitsdruck im Vakuumgefäß beträgt 0.1 bis 1 Pa.
Verdampfungseinheit, Knudsenzelle: Zur Verdampfung von Metall ist die
Verdampfungszelle 11 vorgesehen. Reaktivgas wird über die Kapillare 12
eingespeist. Die Ausdehnung von Plasma, Verdampfungswolke und
Reaktivgaswolke ist qualitativ durch den punktierten Bereich im Vakuumgefäß
dargestellt.
Der Tiegel der Verdampfungseinheit kann über Heizdrähte auf 1900°C aufgeheizt
werden. Durch Verwendung einer Apertur mit 0.3 mm Durchmesser kann die
Verdampfungseinheit als Knudsenzelle betrieben werden. Die Heizdrähte sind
gegen Korrosion durch reaktive Gase durch eine schutzgasgespülte Mantelung
geschützt.
Beispiel für eine gradierte Beschichtung: Als Beispiel für eine gradierte
Beschichtung wurde eine Aluminiumschicht mit anschließendem gradiertem
Übergang zu einer Deckschicht aus amorphem hartem Kohlenstoff (a-C: H)
aufgebracht. Als Substrat diente aus Gründen der vereinfachten Schichtanalyse
Silizium mit (100)-Orientierung. Das Ergebnis einer Messung des Tiefenprofils
der Schichtzusammensetzung mittels der Methode der Sekundärionen-
Massenspektrometrie ist in Fig. 4 gezeigt. Auf das Siliziumsubstrat (rechte Seite
der Figur) wurde eine dünne Aluminiumschicht von ca. 0.3 µm Stärke
aufgebracht. Durch die anschließende Steigerung des Zuflusses von Ethin (C₂H₂)
und die graduelle Absenkung des Flusses von verdampftem Aluminium konnte
ein gradierter Schichtübergang über eine Zone von ca. 0.7 µm Stärke erzielt
werden. Die anschließende Deckschicht aus hartem, amorphem Kohlenstoff
(a-C:H) hatte eine Stärke von ca. 2 µm. Die Stärken der jeweiligen
Schichtkomponenten wurden aus vergleichenden Messungen mit Schichten
bekannter Stärke abgeleitet.
Die zur Verdampfung bzw. Ablation der metallischen Komponente notwendige
thermische Energie kann anstatt durch eine Heizleiteranordnung auch durch die
Verwendung einer intensiven gepulsten oder nichtgepulsten Lichtquelle (z. B.
Laser) in das metallische Targetmaterial eingebracht werden. Hierdurch können
auch Metalle, die erst bei Temperaturen oberhalb von 2000°C Verdampfung
zeigen, als metallische Schichtkomponente Verwendung finden. Die gleichzeitige
Verdampfung aus zwei oder mehreren Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen
erlaubt die Abscheidung von legierten metallischen Zwischenschichten.
Beispiele für metallische Elemente, die zur Verdampfung eingesetzt werden
können, sind: Mg, Al, Si, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Au. Die Verwendung dieser
Elemente ist bei der Verdampfung in einer Zelle mit Heizleiteranordnung
möglich. Die Verwendung einer intensiven Lichtquelle ermöglicht zusätzlich die
Verdampfung von: Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo . . .
Beispiele für reaktive Gase zur Abscheidung der keramischen/nichtmetallischen
Schichtkomponente sind:
- - CH₄, C₂H₂ . . .: Kohlenstoffschichten
- - SiH₄ + N₂: Si₃N₄, SiH₄ + CH₄: SiC, SiH₄ + O₂: SiO₂
- - TiCl₄ + N₂: TiN, TiCl₄ + CH₄: TiC, TiCl₄ + O₂: TiO₂
- - ZrCl₄: analog zu Ti.
Weitere Beispiele für Schichtsysteme sind:
- - Substrat Edelstahl - Zwischenschicht Ni - Deckschicht Si₃N₄
Anwendung in korrosiven Medien - - Substrat Ni-Basislegierung - Zwischenschicht Ni - Deckschicht: SiO₂
Anwendung in korrosiven Medien bei hohen Temperaturen - - Polymersubstrat - weiche Aluminium bzw. Kupfer-Zwischenschicht - harte
Deckschicht aus amorphem Kohlenstoff
Anwendungen bei Reibpaarungen.
Claims (2)
1. Schichtsystem (1) bestehend aus
einer ersten aus Metall bestehenden Schicht (a),
einer zweiten aus Keramik bestehenden Schicht (c) sowie
einer dazwischenliegenden Mischschicht (b), bestehend aus den Materialien der ersten und zweiten Schicht, wobei der Materialanteil der ersten Schicht kontinuierlich (2 oder 3) in Richtung der zweiten Schicht (c) von 100 auf 0%
abnimmt.
einer ersten aus Metall bestehenden Schicht (a),
einer zweiten aus Keramik bestehenden Schicht (c) sowie
einer dazwischenliegenden Mischschicht (b), bestehend aus den Materialien der ersten und zweiten Schicht, wobei der Materialanteil der ersten Schicht kontinuierlich (2 oder 3) in Richtung der zweiten Schicht (c) von 100 auf 0%
abnimmt.
2. Verfahren zur Erzeugung eines aus einem ersten und zweiten Material
bestehenden Schichtsystems (1) mit folgenden Schritten:
Herstellung einer aus dem ersten Material (a) bestehenden Schicht,
Herstellung einer aus dem ersten und zweiten Material bestehenden Mischschicht (b) auf der zuvor hergestellten Schicht (a), bei der der Anteil des ersten Materials (a) kontinuierlich von 100 auf 0% mit zunehmender Dicke der Mischschicht (b) abnimmt sowie
Herstellung einer aus dem zweiten Material (c) bestehenden Schicht auf der Mischschicht (b).
Herstellung einer aus dem ersten Material (a) bestehenden Schicht,
Herstellung einer aus dem ersten und zweiten Material bestehenden Mischschicht (b) auf der zuvor hergestellten Schicht (a), bei der der Anteil des ersten Materials (a) kontinuierlich von 100 auf 0% mit zunehmender Dicke der Mischschicht (b) abnimmt sowie
Herstellung einer aus dem zweiten Material (c) bestehenden Schicht auf der Mischschicht (b).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995138046 DE19538046C2 (de) | 1995-10-13 | 1995-10-13 | Schichtsystem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995138046 DE19538046C2 (de) | 1995-10-13 | 1995-10-13 | Schichtsystem |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19538046A1 true DE19538046A1 (de) | 1997-04-17 |
DE19538046C2 DE19538046C2 (de) | 1997-12-11 |
Family
ID=7774684
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995138046 Revoked DE19538046C2 (de) | 1995-10-13 | 1995-10-13 | Schichtsystem |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19538046C2 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0882435A2 (de) * | 1997-06-04 | 1998-12-09 | Castolin S.A. | Implantat zum Einsatz bei Lebewesen, Verfahren zur Herstellung des Implantats sowie dessen Verwendung |
DE10042194A1 (de) * | 2000-08-28 | 2002-09-19 | Arcon Ii Flachglasveredelung G | Wärmereflektierendes Schichtsystem für transparente Substrate und Verfahren zur Herstellung |
DE10046810C5 (de) * | 2000-02-02 | 2005-10-27 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zur Herstellung eines wärmereflektierenden Schichtsystems für transparente Substrate und danach hergestelltes Schichtsystem |
DE102020111669A1 (de) | 2020-04-29 | 2021-11-04 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen | Gradierte Dünnschichtsysteme aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen für die Beschichtung kardiovaskulärer Implantate |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE557205C (de) * | 1931-06-30 | 1932-08-19 | Patra Patent Treuhand | Verfahren zum gasdichten Verbinden von Quarz- oder Glaskoerpern mit Metallkoerpern |
DE3246303C2 (de) * | 1981-12-14 | 1988-04-21 | United Technologies Corp., Hartford, Conn., Us | |
DE3706340A1 (de) * | 1987-02-27 | 1988-09-08 | Winter & Sohn Ernst | Verfahren zum auftragen einer verschleissschutzschicht und danach hergestelltes erzeugnis |
DE3422138C2 (de) * | 1984-06-14 | 1991-06-20 | Man Technologie Ag, 8000 Muenchen, De |
-
1995
- 1995-10-13 DE DE1995138046 patent/DE19538046C2/de not_active Revoked
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE557205C (de) * | 1931-06-30 | 1932-08-19 | Patra Patent Treuhand | Verfahren zum gasdichten Verbinden von Quarz- oder Glaskoerpern mit Metallkoerpern |
DE3246303C2 (de) * | 1981-12-14 | 1988-04-21 | United Technologies Corp., Hartford, Conn., Us | |
DE3422138C2 (de) * | 1984-06-14 | 1991-06-20 | Man Technologie Ag, 8000 Muenchen, De | |
DE3706340A1 (de) * | 1987-02-27 | 1988-09-08 | Winter & Sohn Ernst | Verfahren zum auftragen einer verschleissschutzschicht und danach hergestelltes erzeugnis |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Materials Science Forum, Vols. 52 & 53, 1989, pp.609-644 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0882435A2 (de) * | 1997-06-04 | 1998-12-09 | Castolin S.A. | Implantat zum Einsatz bei Lebewesen, Verfahren zur Herstellung des Implantats sowie dessen Verwendung |
EP0882435A3 (de) * | 1997-06-04 | 2005-03-30 | Terolab Services Management S.A. | Implantat zum Einsatz bei Lebewesen, Verfahren zur Herstellung des Implantats sowie dessen Verwendung |
DE10046810C5 (de) * | 2000-02-02 | 2005-10-27 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zur Herstellung eines wärmereflektierenden Schichtsystems für transparente Substrate und danach hergestelltes Schichtsystem |
DE10042194A1 (de) * | 2000-08-28 | 2002-09-19 | Arcon Ii Flachglasveredelung G | Wärmereflektierendes Schichtsystem für transparente Substrate und Verfahren zur Herstellung |
DE10042194B4 (de) * | 2000-08-28 | 2008-07-24 | Arcon Flachglas-Veredlung Gmbh & Co.Kg | Wärmereflektierendes Schichtsystem für transparente Substrate und Verfahren zur Herstellung |
DE102020111669A1 (de) | 2020-04-29 | 2021-11-04 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen | Gradierte Dünnschichtsysteme aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen für die Beschichtung kardiovaskulärer Implantate |
WO2021219687A1 (de) | 2020-04-29 | 2021-11-04 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen | Gradierte dünnschichtsysteme aus metall-keramik-verbundwerkstoffen für die beschichtung kardiovaskulärer implantate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19538046C2 (de) | 1997-12-11 |
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Legal Events
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8331 | Complete revocation |